高 偉， 李 軍， 馬伯江， 王東雪

(1. 青島科技大學 機電工程學院， 山東 青島 266061) (2. 青島高測科技股份有限公司， 山東 青島 266114)

隨著單晶硅尺寸的增大和對切片質(zhì)量以及切割效率的要求提高，游離磨料線鋸切割已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求,固結(jié)磨料金剛石切割線受到廣泛關(guān)注[1]。固結(jié)磨料金剛石切割線主要分為電鍍金剛石切割線和樹脂金剛石切割線[2]。其中，樹脂金剛石切割線(簡稱樹脂線)具有制造工藝簡單、成本低、效率高、環(huán)境污染小、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點[3-5]。

樹脂線的切割性能很大程度上取決于樹脂結(jié)合劑的性能。在切割單晶硅時，要求樹脂結(jié)合劑同基體和金剛石顆粒結(jié)合良好，防止金剛石脫落造成切割線失效；樹脂線與工件的摩擦會產(chǎn)生大量的熱，要求樹脂的耐熱性好。葛培琪等[6]選用雙酚 A 型環(huán)氧樹脂與熱固性酚醛樹脂作為結(jié)合劑、納米金屬粒子作為填料，提高了其耐熱性和黏結(jié)力。孫毅等[7]選用酚醛樹脂作為結(jié)合劑、碳化硅粉體作為填料，并分別加入鎳粉和鉻粉，提高了樹脂結(jié)合劑對金剛石的把持力。

在切割的過程中，金剛石切割線主要通過金剛石磨料對硅晶體進行切割，同時硅晶體對切割線產(chǎn)生反作用力，使其發(fā)生彎曲，形成所謂“線弓”。樹脂線切割時出現(xiàn)過大線弓的原因主要有：樹脂層強度、硬度不足，鋸切過程中樹脂層變形，金剛石出露不足；金剛石顆粒松動、脫落。

本研究中，測試4種樹脂結(jié)合劑的固化硬度，并分析其固化后的斷面形貌；然后使用這4種樹脂分別制備金剛石切割線并進行單晶硅切割實驗，分析樹脂結(jié)合劑的固化硬度和固化后致密性對切割能力的影響。

1 實驗

實驗使用表1所示的樹脂結(jié)合劑。其他材料分別為有機溶劑DMF，碳化硅微粉(粒度尺寸1～2 μm)，鍍銅鋼線(φ90 μm)和金剛石微粉。金剛石微粉表面經(jīng)化學鍍鎳磷合金，質(zhì)量增加30%，其表面形貌如圖1所示。

表1 實驗采用的樹脂結(jié)合劑主要參數(shù)

1.1 硬度實驗

取一定量的樹脂粉，分別與溶劑DMF按照質(zhì)量比1∶1混合，然后用攪拌器充分攪拌至樹脂粉完全溶解。靜置排氣后，將充分溶解的樹脂液注入試樣固化模具中，放入固化爐中固化。固化溫度190 ℃，固化時間60 min。固化后試樣的厚度大于6 mm，表面平整。如果平面不夠平整，則需進行打磨。將固化后的樹脂制成肖氏硬度檢測試樣，用以檢測其硬度。

1.2 切割實驗

取一定量的樹脂粉，分別與溶劑DMF按照質(zhì)量比1∶1混合，然后用攪拌器充分攪拌至樹脂粉完全溶解；依次加入質(zhì)量分數(shù)30%的碳化硅微粉和質(zhì)量分數(shù)20%的金剛石微粉，混合攪拌均勻；調(diào)節(jié)溶液黏度至3.5 ～ 4.0 Pa·s，得到混合樹脂漿料。

將混合樹脂漿料涂覆到連續(xù)運行的基線上?；€以70 m/min的速度通過長1.5 m、溫度500 ℃的加熱爐，使基線表面的樹脂漿料中的溶劑揮發(fā)、樹脂半固化。將纏有半固化線的收線輪放入固化爐內(nèi)固化，固化溫度190 ℃，固化時間60 min。

所得金剛石切割線的表面形貌如圖2所示。從圖2中可以看出：用4種樹脂制備的樹脂線，其外觀沒有明顯區(qū)別；線徑外側(cè)的顆粒狀凸起，表明金剛石包覆良好、分布均勻。

(a)A型樹脂線A-type resin wire(b)B型樹脂線B-type resin wire(c)C型樹脂線C-type resin wire(d)D型樹脂線D-type resin wire圖2 制備的樹脂金剛石切割線的掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 2 SEM of prepared resin-diamond wire

表2 切割條件

在表2所示的切割條件下，分別使用4種樹脂制造的切割線在GC630型硅片多線切割機床上對單晶硅棒進行切割實驗。硅棒的截面尺寸為156 mm×156 mm，冷卻液采用水溶性切削液。以加切時間反映切割線的切割能力，即加切時間越短、切割時線弓越小，切割線的切割能力越強。

2 實驗結(jié)果及分析

切割實驗中，各金剛石切割線的加切時間如圖3所示。從圖3中可以看出：A型樹脂線的加切時間最短，為5 min；其他3種類型樹脂線的加切時間較長，B型、C型和D型樹脂線的加切時間分別為8 min、15 min和13 min。

對樹脂金剛石磨具而言，樹脂的固化硬度越高，則其強度也越高，對金剛石的把持力越好，從而磨削能力越強[8-9]。4種樹脂固化后的肖氏硬度如圖4所示。從圖4中可看出：A型樹脂結(jié)合劑的肖氏硬度最高，達到78 MPa，其他3種樹脂結(jié)合劑的肖氏硬度分別為B型樹脂77 MPa，C型樹脂62 MPa和D型樹脂71 MPa。結(jié)合表1中的樹脂性能可以看出：A型樹脂流動性低，說明其固化前分子量較高；其固化劑的六次甲基四胺質(zhì)量分數(shù)也最高，因此其固化充分，固化后的硬度最高，與圖4的測試結(jié)果相符。

從實際切割效果看，A型樹脂線的加切時間最短、切割能力最強。這表明固化后硬度較高的樹脂對金剛石有較高的把持力，從而使切割線有較強的切割能力。

在樹脂線切割工件的過程中，金剛石磨粒受到切削的反作用力。切削力過大或樹脂層硬度不足時，切割線的往復切割運動會使金剛石顆粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)角位移，改變金剛石顆粒的切削角度，造成切割進給抗力升高，導致線弓大、加切時間長[10]。同時，金剛石切割線的往復切割方式會使金剛石顆粒受到交變的作用力，導致金剛石顆粒相對于樹脂產(chǎn)生晃動，甚至造成部分金剛石顆粒脫落，從而影響切割線的切割能力。

圖5所示為用A、C 2種樹脂制備的金剛石切割線切割后的掃描電鏡照片。由圖5可以看出：用A樹脂制備的切割線，在切割后基本未見金剛石脫落；而用C型樹脂制備的切割線，在切割后表面出現(xiàn)金剛石脫落現(xiàn)象。這主要是因為A型樹脂結(jié)合劑固化后的肖氏硬度大，對金剛石的把持力強，因此在往復切割過程中，金剛石相對于樹脂層的晃動小、不易脫落，宏觀表現(xiàn)為樹脂線的切割能力強、線弓小、加切時間短。

(a)A型樹脂金剛石切割線A-type resin wire(b)C型樹脂金剛石切割線C-type resin wire圖5 樹脂線切割后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 5 SEM of resin diamond wire after cutting

酚醛樹脂在固化過程中會釋放出小分子物質(zhì)，可能會使固化后的組織存在氣孔，從而影響其致密性。顯然，致密性較低的樹脂層對金剛石的把持力較低，切割時容易出現(xiàn)較嚴重的加切現(xiàn)象。

用掃描電鏡觀察4種樹脂固化后的斷口形貌，其結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出：A型純酚醛樹脂結(jié)合劑的斷面致密性最好。這主要是由于其含有的游離酚最少，固化時產(chǎn)生的小分子物質(zhì)少。表現(xiàn)在切割性能方面，即為用A型樹脂結(jié)合劑制備的切割線的加切時間短、切割能力強。雖然B型樹脂和A型樹脂同為純酚醛樹脂，但是B型樹脂中的游離酚含量更高，因此固化過程中產(chǎn)生了更多的揮發(fā)性小分子物質(zhì)，造成其致密性較差，宏觀表現(xiàn)為加切時間更長；C型樹脂為環(huán)氧改性酚醛樹脂，其固化后的斷面致密性更差、加切時間更長；D型樹脂為芳烷基改性酚醛樹脂，其固化時更容易釋放出小分子物質(zhì)，且樹脂層是在常壓下固化，因此其固化組織氣孔最多，宏觀表現(xiàn)為對金剛石的把持力最低、加切現(xiàn)象最嚴重。因此，對于樹脂金剛石切割線而言，為提高其切割能力，應(yīng)選擇游離酚含量低、固化后斷面致密性好的酚醛樹脂。

(a)A型樹脂A-type resin(b)B型樹脂B-type resin(c)C型樹脂C-type resin(d)D型樹脂D-type resin圖6 固化后樹脂試樣的斷面形貌Fig. 6 Fracture surface of cured resin

3 結(jié)論

選用4種不同類型的酚醛樹脂硬度試樣和樹脂線，測量其固化后的肖氏硬度；然后在相同的切割工藝下進行單晶硅的切割實驗以對比其肖氏硬度和切割性能的關(guān)系。實驗得到以下結(jié)論：

(1)流長較短、固化劑含量較高的純酚醛樹脂，其固化后的肖氏硬度較高；用其制備的切割線的樹脂層對金剛石的把持性較好，切割過程中金剛石顆粒的脫落情況較輕、加切時間短，表明切割線的切割能力較強。

(2)固化時產(chǎn)生小分子物質(zhì)少的酚醛樹脂，固化后組織較為致密，對金剛石的把持力較好，切割線的切割能力較強。